车轮NVH性能的拓扑优化

2022-04-29魏航

机电信息 2022年8期

摘要：主要介绍利用HyperMesh_OptiStruct模块对某乘用车车轮进行拓扑优化，以满足NVH性能要求。该方法以响应点的侧向动刚度及一阶模态为约束，以质量最小化为目标，对车轮进行拓扑优化分析;之后对优化前后的模型进行模态及动刚度计算，验证了优化方法的有效性。拓扑优化方法对车轮结构的局部微调有着重要意义，它可以帮助优化车轮减重窝的结构，建议在不大改造型的情况下使用。

关键词：车轮侧向刚度;拓扑优化;结构设计;有限元分析

中图分类号：U462.3;TB533 文献标志码：A 文章编号：1671-0797（2022）08-0069-03

DOI：10.19514/j.cnki.cn32-1628/tm.2022.08.020

0 引言

车轮是介于轮胎和车轴之间承受负荷的旋转组件，如图1所示，通常由两个主要部件轮辋和轮辐组成。轮辋是在车轮上安装和支撑轮胎的部件，轮辐是在车轮上介于车轴和轮辋之间的支撑部件。

在汽车路噪开发中，车轮是轮胎激励向整车传递的第一环节，车轮刚度越大，车轮结构的阻抗越大，传递至轮心的激励越小，从而越有利于整车路噪通过结构的控制。试验表明，在200～400 Hz频段内，车轮侧向刚度对整车路噪性能有显著的影响，侧向刚度越大，路噪表现越优异[1]。因此，在产品开发阶段对车轮提出合理有效的NVH性能指标非常重要。

前期NVH性能指标一般包括车轮一阶模态及车轮侧向刚度。对于不同规格的车轮，模态有不同要求，但侧向刚度总体要求≥50 kN/mm，要做到这一点通常需要：

（1）辐条分布均匀;

（2）轮心与轮外圈高差小;

（3）辐条走向：多为直辐条;

（4）轮心螺栓孔附近有辐条支撑;

（5）辐条数目较多;

（6）控制优化减重窝;

（7）控制优化辐条的宽度及厚度。

现实工程中，在设计部门设计好车轮发布了数据后，如果不借助别的有效方法，车轮的优化要想达到NVH性能要求往往需要采用大量的有限元网格变形的手段，涉及的车轮结构参数主要包括轮心厚度、轮心直径、轮心根部圆角、轮辐内侧厚度、轮心减重窝深度、轮辐内侧宽度等[2]，这种方式虽然能为下一步的优化工作提供方向，但是也存在网格畸变严重、设计制造不可行、质量增加太多、优化方案与实际数模存在差异等一系列问题。拓扑优化的出现为车轮NVH性能的达标提供了这样一个新的路径：采用拓扑优化的方式，在设计空间内进行材料的整合，以实现材料增加最少、性能提升最大的目标。

OptiStruct优化方法在汽车的结构设计中应用非常广泛，并且取得了不错的效果。查勇岗等人[3]利用OptiStruct的尺寸和形状优化方法，对某车型仪表板横梁的厚度和管状横梁的形状进行优化设计，保证了一阶垂向模态和一阶侧向模态性能。金莹莹[4]基于OptiStruct软件对某项目汽车控制臂进行了拓扑优化设计，满足了结构的强度要求;同时，该控制臂结构的重量减轻了35%，实现了轻量化的性能需求。

1 拓扑优化方法

1.1 OptiStruct在拓扑优化中使用的方法是变密度法[5]

变密度法是连续体结构拓扑优化研究中应用最多的建模方法。其主要表达的含义如下：假设变密度法定义单元的相对密度值xi为设计变量，该单元密度同结构的材料参数有关，0～1之间连续取值，优化求解后，单元密度为1表示该单元位置处的材料需要保留，单元密度为0表示该单元处的材料可以去除，从而实现拓扑优化效果。

1.2 优化问题描述

对优化问题进行优化三要素分析，即设计变量、优化目标、约束条件，可表述为如下表达式：

Find：x=（x1，x2，…，xn）T

Min C（x）=FTU

s.t.V≤V*，F=KU，xi={0，1}，i=1，2，…，n

式中：x=（x1，x2，…，xn）T是设计变量，如产品的结构尺寸、材料密度等;K为结构总刚度矩阵;U为结构的位移向量;F为结构里向量;V为结构优化前的最初体积;V*为结构优化后的体积。

所谓“优化”，就是找到一组设计变量X=（x1，x2，…，xn），使得函数f（x）取到最小值。

2 拓扑优化在车轮性能优化中的应用

某车型现有18寸车轮一阶模态为292 Hz，按照模态避频的原则，未达到300 Hz的目标值，需要在质量增加最小的目标下，约束侧向刚度50 kN/mm为下限。